试述混凝土结构耐久性设计

【摘要】随着我国经济的发展，建筑行业也在快速的发展着，在建筑工程中，混凝土的适用范围越来越大，这就对混凝土结构的耐久性提出了很高的要求，因此，需要不断加强对混凝土结构的耐久性设计分析。笔者结合自己的研究，对这方面的问题进行了分析。

【关键字】混凝土结构，耐久性，设计分析

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

一、前言

加强对混凝土结构的耐久性设计，可以很好的提高混凝土结构的耐久性，提高工程的质量，保证工程的安全性，这对于我国的经济发展，人民的生命安全都是至关重要的。

二、混凝土结构耐久性定义

这个混凝土结构耐久性的定义实际上包含了三个基本要素：(1)环境:结构处于某一特定环境(包括自然环境、使用环境)中，并受其侵蚀作用;(2)功能:结构的耐久性是一个结构多种功能(安全功能、适用性等)与使用时间相关联的多维函数;(3)经济:结构在正常使用过程(即设计要求的自然物理剩余寿命)中不需要大修。定义中的工作环境及材料内部因素的作用指的是物理或化学作用，根据结构工作环境情况、破损机理、形态以及国内各行业传统经验，可将混凝土结构的工作环境分成6大类:①大气环境;②土壤环境;③海洋环境;④受环境水影响的环境;⑤化学物质侵蚀环境;⑥特殊工作环境。同时，结构耐久性是结构的综合性能，既涉及结构的承载能力、又涉及结构的正常使用以及维修等，反映了结构性能随时间的变化。

三、影响混凝土结构耐久性的因素

1、钢筋的锈蚀

水和氧的存在是钢筋被腐蚀的必要条件，氯离子容易破坏钢筋表面钝化膜，一旦混凝土开裂，形成水和氧的通道，就会加速钢筋锈蚀，造成混凝土裂缝进一步开展和贯通，最终使混凝土构件丧失承载力。钢筋在外部介质作用下也会发生电化反应，逐步生成铁锈，成倍增大自身体积，造成混凝土顺筋裂缝，形成腐蚀介质渗入钢筋的通道，加快了结构破损。此外，钢筋在腐蚀过程中会产生少量的氢气，氢原子沿着钢筋内部缺陷渗入生成氢分子，同时产生很大压力，出现鼓泡现象，使钢筋脆化，这就是钢筋的氢脆现象。

2、混凝土的碳化

混凝土中由于含有氢氧化钙而呈碱性，在高碱环境下钢筋表面形成薄膜，保护钢筋不受酸性介质的侵蚀。但空气中的酸性介质会通过各种孔道、裂隙而渗入凝土，溶于孔中液体，与水泥的水化作用产物发生反应，形成碳酸钙等，中和了混凝土中的碱，这就是混凝土的碳化。碳化本身对混凝土没有危害，甚至会提高混凝土的强度和密实性，但其会使钢筋表面形成

的起钝化保护作用的致密氧化膜遭到破坏。同时碳化的混凝土还会加剧收缩变形，从而产生裂缝，使钢筋保护层脱落。

3、混凝土的冻融破坏

外界水通过毛细孔道渗入混凝土中，在低温环境作用下结冰，体积发生膨胀，在孔隙中产生应力，从内部损伤混凝土的微观结构，产生微裂缝。在冻融循环作用下，损伤积累将使微裂缝逐步发展，同时混凝土剥落而降低强度和抗冻性。

四、耐久性设计的国家规范

1、对混凝土结构的工作环境有特定的要求

对混凝土的耐久性产生重要影响的就是混凝土结构所处的工作的环境，比如说，同样结构的混凝土存在两个不同的工作环境，一个处在日常的空气中，而另一个则处在一个相对酸性较大的环境当中，这样那个处在酸性环境的混凝土的使用寿命肯定要短。目前，我国在对一类环境的规定和三类环境对混凝土的强度要求是截然不同的，在我国的规定当中，对混凝土的工作环境进行了详细的分类，并且对不同的工作环境做了详细的应对策略。

2、对从混凝土构成分析的耐久性做了进一步的要求

影响混凝土的质量有很多因素，而在这些因素当中，混凝土自身的影响较为突出。例如：混凝土的密实性可以从根本上提高混凝土自身的渗透性，这样对于密实性好的混凝土，那些有害物质，如强酸强碱等环境的物质就不可能或者少量的进行透漏，对混凝土本身的质量影响不大。我国目前所执行的《规范》，主要是从混凝土的本身构成方面做了考虑，主要认为混凝土强度、水灰比以及氯离子含量和碱含量等对混凝土的耐久性有非常重要的影响，而这些影响在跨桥建筑或者那些大型建筑当中表现的尤为明显，因此，这个问题需要在施工当中进行解决。

五、混凝土结构耐久性的一般设计原则

1、设计的基本原则和要求采用合适的结构类型、结构布置和结构构造措施;

2、选用耐久性性能优良的材料;

3、增加钢筋的混凝土保护层厚度;

4、注重防、排水和密封等构造措施;

5、混凝土结构耐久设计的基本内容混凝土耐久性设计的内容:一部分为《钢筋混凝土结构设计规范》GB50010-2002中的有关规定的内容。

六、混凝土结构耐久性设计

1、混凝土结构耐久性设计应首先确定结构物的设计使用年限，否则耐久性设计就变成了盲目的行为。我国最新颁布的建筑结构设计统一标准将建筑结构的使用年限分为4类，应根据建筑物的功能、用途等特点对应选取不同的设计基准期。设计人员应该对工程设计对象的全寿命费用进行估计，比较工程建设的一次性投人与今后预期需要进行维修的费用。多数情况下，稍许增加初期的结构造价即可大量节约修理费用，从而改善工程的长期使用效益。

2、应针对结构物所处的环境特点进行耐久性设计。期待一种混凝土适用于各种环境条件是不现实和不经济的。结构通常会受到多种环境作用，不同环境类别的腐蚀作用有很大差异，需采取不同对策。同一结构物不同构件所处的局部环境不同，也应区别对待。

3、提高混凝土结构耐久性，应着力改善混凝土的孔结构，提高混凝土尤其是表层混凝土的密实度，控制结构裂缝的开展等。

（一）增加混凝土保护层厚度

增加混凝土保护层厚度是有效阻止碳化峰面到达钢筋表面的重要措施。我国混凝土结构设计规范中规定对设计基准期为100年的结构，混凝土保护层厚度应增加40%。应当特别提起注意的是，施工中应特别控制保护层厚度的偏差。目前，我国施工单位所采用的保护层混凝土垫块形状极不规范并且质量差异很大。劣质的垫块加快了混凝土碳化和氯离子渗透，所以，应坚持推广使用标准混凝土保护垫块。

（二）掺人外加剂

外加剂可改善混凝土的密实度、孔结构，从而大大增强混凝土的耐久性，在耐久性设计中应用比较多的有:

(1)引气剂

引气剂是具有增水作用的表面活性物质，可以明显降低混凝土拌和水的表面张力和表面能，使混凝土内部产生大量微小稳定的气泡。这些气泡切断了部分毛细管通路，并且阻断混凝土内部毛细管与外界的通路，使外界水分不易侵人，从而减小了混凝土的渗透性。国内外的大量研究成果与工程实践均表明引气后混凝土的抗冻性可成倍提高。

(2)减水剂

使用减水剂可以大幅度降低混凝土的水灰比(水胶比)，提高混凝土的强度和致密性，提高混凝土的抗冻耐久性。研究结果表明:在混凝土中掺人高效减水剂在保持和易性不变情况下，可减水25%，抗渗性提高4}5倍。

（三）加人矿物掺和料

在混凝土中用一些具有活性的矿物掺和料如硅粉、矿渣、粉煤灰等替代一部分水泥，不仅节约了水泥，而且能够大幅提高混凝土的抗冻耐久性。

(1)矿渣

矿渣与水泥水化生成的Ca(OH):结合具有潜在的活性。我国学者张德思、成秀珍通过实验得出在矿渣掺和比例适当时，抗冻性能较普通混凝土有较大改善。

(2)粉煤灰

粉煤灰的应用在国内外都已有几十年的历史。粉煤灰作为一种工业废料，将其掺人混凝土中不仅仅是为了节约水泥，更重要的是其活性可以改善和提高混凝土的性能。国内外学者在大量实验和长期实践的基础上发现:掺量不超过70%时，粉煤灰可以改善混凝土的孔结构，提高混凝土的抗渗、抗冻和抗碳化能力;超细粉煤灰与硅粉相掺时，提高混凝土抗冻耐久性的效果更加显著，在冻融循环300次以后，混凝土的弹性模量与重量基本不变。有观点认为，应用大掺量粉煤灰(或磨细矿渣)是今后混凝土技术进展最有效也是最经济的途径。

（四）施工质量控制

从某种程度上来说，施工因素的重要性对混凝土结构耐久性无论如何强调都不过分。混凝土结构耐久性靠的就是表层混凝土的质量，养护不良可使表层混凝土抗渗性成倍下降;按照现行设计规范规定的墙、板保护层厚度如果仅出现5mm的施工允许误差，就可使钢筋开始锈蚀的年限缩短一半。因此，施工质量控制必须作为实现结构耐久性设计的一个重要保证加以重视。

结语

鉴于混凝土结构的耐久性对于建筑工程的重要性，应该不断的加强对混凝土结构的耐久性设计分析，从而可以提高建筑工程的整体质量，确保居民的生命安全，这是混凝土结构耐久性设计所必须要考虑的。

参考文献：

[1]武海荣 混凝土结构耐久性环境区划与耐久性设计方法浙江大学2012-04-01博士

[2]侯爽; 欧进萍 基于抗震承载力和改进能力谱法的钢筋混凝土结构耐久性设计世界地震工程2006-06-30期刊